Phase space anatomy of dynamical quantum phase transitions

Nel mondo quantistico, le particelle non stanno semplicemente ferme; esse evolvono, ruotano e interferiscono tra loro in modi che non hanno paralleli nella nostra esperienza quotidiana. Quando un sistema di molte di queste particelle viene improvvisamente scosso dal suo equilibrio — un processo che gli scienziati chiamano "quench" — esso inizia un complesso viaggio verso un nuovo stato. A volte, durante questa evoluzione caotica, il sistema subisce un cambiamento drammatico noto come transizione di fase quantistica dinamica. Queste non sono le familiari transizioni di stato che vediamo quando il ghiaccio si scioglie o l'acqua bolle, che avvengono quando le cose sono calme e costanti. Invece, queste transizioni avvengono nel fervore del momento, mentre il sistema corre attraverso il tempo. I fisici cercano da tempo di capire cosa scateni effettivamente questi cambiamenti improvvisi. Per anni, due diversi modi di guardare il problema sembravano raccontare la stessa storia: uno si concentrava su come cambia l'ordine complessivo del sistema, mentre l'altro osservava quanto fosse probabile che il sistema tornasse al suo punto di partenza. Si assumeva che queste due visioni fossero solo angolazioni diverse dello stesso evento sottostante.

Un nuovo studio sfida questa assunzione, rivelando che queste due prospettive stanno in realtà osservando cose fondamentalmente diverse. I ricercatori del Centro di Supercalcolo di Jülich e dell'Università di Tubinga hanno dimostrato che i cambiamenti improvvisi nell'ordine di un sistema e i cambiamenti improvvisi nella sua probabilità di ritorno sono guidati da meccanismi fisici separati. Per capire questo, immaginate di cercare di prevedere l'esito di un gioco complesso guardando solo un giocatore invece di osservare l'intera scacchiera. Lo studio dimostra che, sebbene il comportamento locale di un piccolo gruppo di particelle possa fornire informazioni sull'ordine del sistema, esso non può predire la probabilità di ritorno globale. La probabilità di ritorno dipende dall'intero sistema che agisce insieme ed è governata da una forza sottile e invisibile chiamata interferenza quantistica. Questa forza può cancellare delle possibilità in modi che le osservazioni locali semplicemente non possono vedere.

I ricercatori hanno investigato questo fenomeno simulando una catena di particelle, ognuna delle quali è capace di esistere in tre stati distinti, molto simile a una moneta che può cadere su testa, croce o un terzo lato unico. Hanno osservato cosa accadeva quando cambiavano improvvisamente le regole che governavano l'interazione di queste particelle. Nelle loro simulazioni, hanno tracciato due cose specifiche: l' "ordine" del sistema, ovvero una misura di quanto le particelle siano allineate, e il "tasso di ritorno", che misura quanto il sistema somigli al suo stato originale in un dato momento. Hanno scoperto che il momento in cui l'ordine del sistema cambia era spesso diverso dal momento in cui il tasso di ritorno subiva una variazione. Questo intervallo temporale non era un errore o un glitch; era una realtà fisica causata dal modo in cui le onde quantistiche interferiscono tra loro.

Nel regno quantistico, le particelle si comportano come onde che possono sommarsi o annullarsi a vicenda. Quando i ricercatori hanno esaminato il tasso di ritorno, hanno scoperto che il percorso del sistema era plasmato da questa cancellazione. A volte, un percorso che sembrava destinato a vincere in base alla sua forza bruta era in realtà soppresso perché le sue onde si annullavano con altre possibilità. In altri casi, un percorso che sembrava più debole sopravviveva perché evitava questa cancellazione. Lo studio ha dimostrato che questa "cancellazione selettiva" poteva ritardare il momento in cui un percorso superava un altro. In una specifica simulazione, i ricercatori hanno scoperto che un percorso concorrente aveva oltre tre volte il peso bruto del percorso iniziale, eppure il percorso iniziale ha vinto perché il concorrente soffriva di una cancellazione più forte. Ciò significava che il comportamento del sistema era dettato non solo da quanto "materia" ci fosse in un percorso, ma da come le onde all'interno di quel percorso interferissero con se stesse.

Per dimostrare che questa interferenza fosse la chiave, il team ha anche esaminato un sistema più semplice e non interagente, dove le particelle non si influenzavano a vicenda. In questo scenario controllato, hanno trovato una transizione netta nel tasso di ritorno anche in assenza di alcuna cancellazione. Ciò ha provato che un cambiamento improvviso nel tasso di ritorno non implica automaticamente che stia avvenendo una complessa interferenza quantistica. Viceversa, nel sistema più complesso e interagente, hanno scoperto che l'interferenza era abbastanza forte da cambiare il percorso seguito dal sistema, anche quando i numeri grezzi suggerivano il contrario. Questa distinzione è cruciale: l'esistenza di una transizione improvvisa e il ruolo dell'interferenza nel scegliere tale transizione sono due questioni separate. Una può accadere senza l'altra.

I ricercatori hanno utilizzato uno strumento matematico chiamato rappresentazione dello spazio delle fasi per visualizzare queste forze invisibili. Questo strumento ha permesso loro di separare il peso "non firmato" di un percorso — il suo potenziale bruto — dal peso "firmato", che tiene conto delle cancellazioni. Confrontando i due, hanno potuto vedere esattamente dove l'interferenza stava operando. Hanno scoperto che, guardando gruppi di particelle sempre più grandi, il ritardo tra l'incrocio del potenziale bruto e l'effettivo incrocio fisico rimaneva, suggerendo che questo effetto non è solo una curiosità su piccola scala, ma una caratteristica fondamentale di come questi sistemi evolvono. Lo studio ha anche dimostrato che non è possibile ricostruire la storia completa del ritorno del sistema guardando solo piccole parti locali. L'immagine globale contiene informazioni che sono completamente assenti da qualsiasi visione locale, proprio come non si può comprendere la trama di un film guardando solo un singolo fotogramma.

Questo lavoro chiarisce una confusione di lunga data nel campo della dinamica quantistica. Per un certo periodo, gli scienziati hanno dibattuto se i cambiamenti improvvisi nell'ordine di un sistema e i cambiamenti improvvisi nella probabilità di ritorno del sistema fossero lo stesso fenomeno. Questo studio mostra che non lo sono. La transizione nell'ordine è determinata dall'informazione locale, mentre la transizione nella probabilità di ritorno è determinata dall'informazione globale e dal delicato equilibrio dell'interferenza quantistica. Le scoperte suggeriscono che, per comprendere veramente queste transizioni, è necessario guardare l'intero sistema e tenere conto delle cancellazioni invisibili che ne modellano il percorso. La ricerca non sostiene di aver risolto ogni mistero della dinamica quantistica, ma ha tracciato una linea netta tra due concetti che precedentemente erano confusi. Essa stabilisce che il meccanismo che seleziona il percorso dominante in un sistema quantistico è distinto dalla mera esistenza di una transizione, offrendo una mappa più precisa per navigare nel paesaggio strano e controintuitivo del mondo quantistico.